電容性開關(guān)掃描-

1、應(yīng)用手冊(cè) AN2233a電容性開關(guān)掃描作者:Dennis Seguine相關(guān)項(xiàng)目:否相關(guān)部件系列:CY8C21x34PSoC Designer版本:4.2相關(guān)應(yīng)用手冊(cè):AN2277摘要本應(yīng)用手冊(cè)簡(jiǎn)要介紹了采用CY8C21x34 PSoC混合信號(hào)陣列的獨(dú)特功能來(lái)實(shí)施電容性開關(guān)陣列的原理及設(shè)計(jì)方案。 前言電容感應(yīng)可以用作非接觸式開關(guān)。如果采用絕緣層保護(hù),這些開關(guān)可以抵抗惡劣的環(huán)境。本應(yīng)用手冊(cè)采用張馳振蕩器進(jìn)行電容測(cè)量,該振蕩器的頻率變化是電容值的函數(shù)。CY8C21x34器件系列的架構(gòu)非常適用于掃描此類開關(guān)的大型陣列。電容性開關(guān)就其基本形式而言,電容性開關(guān)是一對(duì)相鄰的平行板,如圖1a所示。盡管存在較

2、小的邊緣至邊緣電容(edge-to-edge capacitance,但開關(guān)布局的本意是為了最小化平行板之間的電容。如果將導(dǎo)體置于靠近兩塊平行板的位置,如圖1b所示,那么就會(huì)在導(dǎo)體和一個(gè)電極之間產(chǎn)生電容,與此類似,導(dǎo)體和另一個(gè)電極之間也會(huì)存在電容。 本例中的導(dǎo)體是手指,不過(guò)原則上這種方法適用于任何導(dǎo)體,如導(dǎo)電的門鎖開關(guān)、位置感應(yīng)器,或者是觸針式跟蹤系統(tǒng)(stylus tracking system 中的導(dǎo)電筆。電容開關(guān)陣列的最常見(jiàn)形式為:一組電容中每個(gè)電容的一側(cè)均接地。這樣,工作電容只有一側(cè)可充電;開關(guān)是接地的可變電容。導(dǎo)體的存在加大了開關(guān)接地的電容。確定開關(guān)是否激活取決于電容測(cè)量是否發(fā)生了改

3、變。電容測(cè)量方法實(shí)際上存在數(shù)百種電容測(cè)量方法。較常用的方法包括:電流-電壓相移測(cè)量:采用固定值電阻驅(qū)動(dòng)電容可以產(chǎn)生具有一定相位差的電壓與電流波形。為了將相位測(cè)量保持在理想范圍內(nèi),我們可相應(yīng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率。 電阻-電容充電定時(shí):采用固定電阻對(duì)電容充電,同時(shí)測(cè)量升壓時(shí)間。為了達(dá)到合理的時(shí)間,較小的電容值可能會(huì)需要極大型的。電容橋分壓器(Capacitive bridge divider:此方法通過(guò)固定的參考電容來(lái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)電容。參考電容與被測(cè)電容共同形成分壓器。同步解調(diào)器即可恢復(fù)電壓信號(hào),在PsoC中可以輕松實(shí)現(xiàn)。電荷轉(zhuǎn)移:此方法在概念上類似于R-C充電電路。圖2顯著了簡(jiǎn)化的示意圖。CP 是需要檢測(cè)的

4、電容。CSUM為求和電容,電荷在連續(xù)周期中被轉(zhuǎn)移至此電容。 圖2:簡(jiǎn)化的電荷轉(zhuǎn)移電路C SUM 的電壓在測(cè)量周期開始時(shí)復(fù)位。CSUM的電壓隨每個(gè)時(shí)鐘周期呈指數(shù)(但幅度輕微上升。我們可利用計(jì)數(shù)器測(cè)量此電壓以達(dá)到特定閾值的時(shí)間。張馳振蕩器張馳振蕩器由被測(cè)電容、恒流源、比較器以及復(fù)位開關(guān)組成,如圖3所示。 圖3:簡(jiǎn)化的張馳振蕩器對(duì)電容Cp進(jìn)行線性充電,直至達(dá)到相應(yīng)的閾值。此時(shí),比較器輸出變成高電平,從而啟動(dòng)開關(guān)閉合。然后電容放電,然后再次開始充電循環(huán)。振蕩器的輸出頻率取決于電容值和充電電流。 圖4:張馳振蕩器波形比較器跳變時(shí)間和復(fù)位開關(guān)會(huì)增加固定的延遲。比較器輸出與系統(tǒng)時(shí)鐘同步,以確保比較器復(fù)位時(shí)間

5、足以使CP的充電電壓完全復(fù)位。這可為工作頻率設(shè)定一個(gè)實(shí)際的上限。注:此類電路常用作電容測(cè)量工具,通常采用可以實(shí)施比較器和復(fù)位開關(guān)的555定時(shí)器構(gòu)建。張馳振蕩器電容測(cè)量的通用方式已經(jīng)公布了數(shù)10年。計(jì)數(shù). . . . . .振蕩器輸出饋送至選通計(jì)數(shù)器(gated counter用于測(cè)量。張馳振蕩器的輸出具有兩種計(jì)數(shù)方法。在第一種方法中,振蕩器輸出驅(qū)動(dòng)PWM的時(shí)鐘輸入。PWM的輸出啟動(dòng)以系統(tǒng)時(shí)鐘頻率(一般為24MHz計(jì)時(shí)的16位定時(shí)器。當(dāng)PWM輸出變成高電平時(shí),通過(guò)釋放采集控制開始計(jì)數(shù)。當(dāng)PWM終止計(jì)數(shù)時(shí),采集信號(hào)變成高電平,從而停止計(jì)數(shù)并且設(shè)置PWM的中斷。在中斷信號(hào)中讀取定時(shí)器值。振蕩器索引至

6、下一個(gè)需要測(cè)量的開關(guān),然后再次開始計(jì)數(shù)序列。在第二種方法中,PWM按照系統(tǒng)時(shí)鐘的派生頻率、以固定周期計(jì)時(shí)。PWM的輸出啟動(dòng)16位定時(shí)器。振蕩器的輸出為定時(shí)器計(jì)時(shí)。序列開始時(shí)Timer16復(fù)位;選通周期結(jié)束時(shí)讀出計(jì)數(shù)值。此方法如圖5所示。上述兩種計(jì)數(shù)方法在靈敏度與信躁比(SNR方面具有相同的性能。第一種方法具有較快的數(shù)據(jù)采集速率,但是該速率取決于軟件負(fù)載與開關(guān)電容值。第二種方法具有固定的開關(guān)數(shù)據(jù)采集速率。 圖5:張馳振蕩器測(cè)量開關(guān)需要的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和檢測(cè)時(shí)間取決于靈敏度要求。如果CP變化較小,則頻率變化較小。為了檢測(cè)到較小的變化,可能需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)數(shù)。這種電路的某些實(shí)施方法需要用到由固定電阻值編程

7、的電流源。如果需要測(cè)量的電容范圍發(fā)生變化,則必須調(diào)整外部組件(如:電阻。PSoC實(shí)施 CY8C21x34CY8C21x34系列具有多種特性,可針對(duì)電容性開關(guān)掃描應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。這些特性包括:o 多路復(fù)用器陣列寬,從而可以由通用比較器與電流源測(cè)量所有通道。o DAC可調(diào)節(jié)電流源。o 比較器與復(fù)位開關(guān)自動(dòng)連接。這種驅(qū)動(dòng)與多路復(fù)用安排可以避免當(dāng)前的GPIO把選擇引腳連接至內(nèi)部模擬Mux總線,如圖6所示。恒流源(由寄存器DAC_D控制的IDAC與復(fù)位開關(guān)連接至模擬Mux總線。這樣可以把引腳數(shù)需求降低到需要尋址的開關(guān)的數(shù)量;無(wú)需外部電阻或電容。感應(yīng)電容的電壓取決于充電電流: CP是銅箔及其連接器件之間

8、的寄生電容。 圖6:CY8C21x34 Mux總線結(jié)構(gòu)閾值設(shè)為VBG。達(dá)到此電壓的充電時(shí)間為: 在達(dá)到該閾值時(shí),比較器輸出變?yōu)楦唠娖?從而復(fù)位單個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的充電波形。典型的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為24MHz,因此復(fù)位時(shí)間為41.7nsec。此時(shí)間并入充電時(shí)間以確定振蕩器頻率。典型工作頻率為200kHz 1.0MHz。因此,振蕩器復(fù)位時(shí)間對(duì)工作頻率的影響較小,而且相對(duì)固定。振蕩器輸出在定時(shí)器中以一定時(shí)間tCount進(jìn)行計(jì)數(shù),而tCount取決于外部選通信號(hào)。需要讀取計(jì)數(shù)器,以便獲取選通時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。如果有手指或其它導(dǎo)體接觸開關(guān),則電容提高到CP+CF,從而使頻率降低;在選通窗口期間計(jì)數(shù)的張馳振蕩器周

9、期數(shù)也隨之降低。 未接觸開關(guān)時(shí)存儲(chǔ)的值與當(dāng)前值的差值可以確定是否有手指接觸開關(guān)。C P 一般情況下遠(yuǎn)大于CF,這樣我們可以在幾乎不影響精確度的情況下大大簡(jiǎn)化等式: 上式說(shuō)明兩個(gè)通道之間的靈敏度變量是兩個(gè)通道的靜態(tài)電容差值的平方的函數(shù)。為了確保獨(dú)立開關(guān)的靜態(tài)(寄生電容理想匹配,在設(shè)計(jì)時(shí)需要做大量工作。這樣可以提高檢測(cè)的可重復(fù)性,使所有開關(guān)以相同的差值運(yùn)行。上述變量可通過(guò)軟件補(bǔ)償。通過(guò)代數(shù)換算,開關(guān)靈敏度的實(shí)際值為: 為了便于計(jì)算以及明確指示開關(guān)的啟動(dòng),n必須具有足夠大的值。這可以決定多方面的設(shè)計(jì)決策。1. CF 應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CP。由于CF取決于手指面積以及手指距離開關(guān)銅箔的距離(通過(guò)表層的

10、絕緣體,因此應(yīng)當(dāng)盡可能降低CP 。CP包含開關(guān)焊盤電容與寄生電容,寄生電容包括布線與芯片引腳電容。2. 在開關(guān)陣列(即:多個(gè)開關(guān)應(yīng)用中,必須盡可能降低靈敏度變量。如果n差值較大,某個(gè)開關(guān)就有可能在1.0cm距離時(shí)啟動(dòng),而另一個(gè)開關(guān)可能直到直接接觸才啟動(dòng)。這并不是理想的方式。我們可以采用多種方法平衡靈敏度。其中包括:a. 通過(guò)PCB線跡長(zhǎng)度校正來(lái)精確匹配板上電容;b. 在每個(gè)開關(guān)的PCB線跡上添加平衡電容;c. 對(duì)每個(gè)開關(guān)應(yīng)用一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù),每次測(cè)試開關(guān)時(shí)使用。3. 調(diào)整PCB設(shè)計(jì),以降低電容,包括盡可能采用較厚的電路板。此時(shí)0.062" PCB優(yōu)于0.015" PCB。4.

11、計(jì)數(shù)窗口應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng),以便n成為有效數(shù)字?！坝行?shù)字”可以低至10,也可以大到幾百。例如CF是CP的10%(典型的“弱”開關(guān),其中的開關(guān)閾值設(shè)為20的計(jì)數(shù)值,則n為: 如果添加一定裕度使計(jì)數(shù)值達(dá)到2500,同時(shí)以1.0MHz 的額定振蕩器頻率工作,則開關(guān)的檢測(cè)時(shí)間為4ms。開關(guān)陣列設(shè)計(jì)在許多電容式開關(guān)設(shè)計(jì)中,感應(yīng)電容的兩極實(shí)際上是相鄰的銅箔或?qū)Ь€,如圖1所示。其中電容一極一般需要接地。要制造開關(guān),可以利用開關(guān)覆蓋非常薄的相互交叉的線跡或者與周圍接地層良好間隔的單個(gè)大面積焊盤。后一種構(gòu)造允許范圍更大的感應(yīng)。線性滑動(dòng)開關(guān)與軌跡板(trackpad應(yīng)用的布局采用緊緊相鄰的開關(guān)。此時(shí),未啟動(dòng)的開關(guān)全部通

12、過(guò)相應(yīng)引腳專用的PSoC GPIO接地。相鄰板(見(jiàn)圖1之間的實(shí)際電容很小,但是有源電路板(及其連接PSoC的PCB線跡的對(duì)地電容可能較高。兩個(gè)并列電路板的電容由下式求出: 等式(6中的計(jì)算單位為米。此為非常簡(jiǎn)單的模型。實(shí)際上存在可以大大提高開關(guān)(和PCB線跡對(duì)地電容的邊緣效應(yīng)。 圖7說(shuō)明從已有源開關(guān)到系統(tǒng)接地的磁場(chǎng)(注:磁力線旨在說(shuō)明形狀,而并非電場(chǎng)實(shí)際形狀的準(zhǔn)確描述。借助合理的電路板厚度,電路板上面的磁場(chǎng)形狀可以實(shí)現(xiàn)具有合理靈敏度的開關(guān)。 圖7:開關(guān)的電場(chǎng)如果電路板結(jié)構(gòu)包含一個(gè)位于開關(guān)下面的接地層,則大部分電場(chǎng)將分流至該接地層,如圖8所示。 圖8:由接地層分流的電場(chǎng)在開關(guān)下面采用接地層可以大

13、大提高CP的值。通常的設(shè)計(jì)方法是把開關(guān)到PSoC的布線在遠(yuǎn)離開關(guān)的板側(cè)即bottom層,同時(shí)top層鋪地。每個(gè)開關(guān)的布線電容隨布線長(zhǎng)度變化而變化。把前側(cè)(即top層的接地層轉(zhuǎn)變成密度為40%的柵格(如:交叉線層,在0.040"中心布置0.008"線跡或者在1.0毫米中心布置0.2毫米線跡可以降低寄生電容。 圖9:典型開關(guān)模式圖9說(shuō)明幾種典型的開關(guān)模式。開關(guān)的工作范圍取決于按鈕和周圍接地層之間的距離、覆層厚度與按鈕間隙的比率、覆層厚度與按鈕到接地層間隙的比率、以及材料的介電值。按鈕尺寸的選擇一般需要進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。雖然存在一定設(shè)計(jì)靈活性,不過(guò)開關(guān)材料通常取決于具體應(yīng)用;設(shè)計(jì)人

14、員可以通過(guò)選擇適當(dāng)材料提高SNR。大部分PCB材料(FR-4、撓性電路(Kapton或Mylar、覆層材料(ABS和玻璃的r為4.06.0。低介電常數(shù)陶瓷材料的r可以低于3.0。它們可適用于小型開關(guān),其中封裝的物理結(jié)構(gòu)足以保護(hù)所采用的脆弱材料。開關(guān)背面的最佳材料、同時(shí)也是開關(guān)操作側(cè)最不理想的材料顯然是介電常數(shù)達(dá)到1.0的空氣。利用較高的SNR最易于實(shí)現(xiàn)開關(guān)感應(yīng)，SNR定義為式 總結(jié) （3）中的n與系統(tǒng)噪聲之比。系統(tǒng)噪聲的來(lái)源包括計(jì) PSoC CY8C21x34提供了獨(dú)特而簡(jiǎn)潔的解決方案，能夠 數(shù)過(guò)程中的量化誤差、充電時(shí)間差值（作為電路輸出 利用單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)完整的電容式開關(guān)陣列測(cè)量。 DAC中的

15、噪聲函數(shù)）、比較器中噪聲造成的閾值變量、 外部干擾信號(hào)、以及背景電容C 值的變量。上述電容 P 會(huì)隨PCB上開關(guān)的介質(zhì)材料溫度的變化而變化。 利用軟 件可以自動(dòng)補(bǔ)償緩慢變化的環(huán)境條件。 如果開關(guān)和手指之間的覆層厚度低于PCB厚度的四分 之一， 并且PCB把非開關(guān)側(cè)布置在接地層， 則一般可以 輕松實(shí)現(xiàn)理想的SNR。更開放的結(jié)構(gòu)以及空氣隔離可 以提供更好的SNR，但是可能無(wú)法提供充分的屏蔽。 為了降低EMI以及對(duì)輻射靈敏度， 設(shè)計(jì)過(guò)程中通常需要 慎重安排PCB布局。 盡管一般采用較大的面積， 但是電 容式開關(guān)陣列不會(huì)出現(xiàn)布局問(wèn)題。不啟動(dòng)的開關(guān)接地 （即：PSoC I/O的邏輯0）。無(wú)論何時(shí)都僅僅啟

16、動(dòng) 一或兩個(gè)開關(guān)。 PSoC GPIO輸出不但較弱， 而且速度也不快， 因此不會(huì) 產(chǎn)生輻射干擾。如果在個(gè)別開關(guān)及其到PSoC的布線下 方采用接地層，則應(yīng)當(dāng)采用較為松散的柵格（0.040" 中心上布置0.008"線跡） 實(shí)現(xiàn)接地， 以便降低寄生電容。 這樣可以保持低環(huán)路區(qū)域，從而降低輻射干擾并且提 高輻射抗擾度。 作者簡(jiǎn)介 姓名：Dennis Seguine 職務(wù)：Cypress MicroSystems 公司高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理 背景：加州大學(xué)伯克利分校 BSEE 與 MSEE。具有 30 多年的系統(tǒng)與模擬電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在重要醫(yī)療設(shè)備方 面 擁 有 5 項(xiàng) 專 利 。 從 2000 年 開 始 擔(dān) 任 Cypress MicroSystems 公司應(yīng)用工程經(jīng)理。 聯(lián)系方式： 地址：2700 162 Street SW, Building DLynnwood, WA 98037 電話：800.669.0557